物料输送线CAN总线通讯网络设计.docx
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物料输送线CAN总线通讯网络设计
2010届毕业生
毕业论文
题目:
物料输送线CAN总线通讯网络设计
院系名称:
电气工程学院专业班级:
自动F0605
学生姓名:
学号:
指导教师:
教师职称:
副教授
2010年5月25日
摘要
CAN(ControllerAreaNetwork)总线又称控制器局域网,是Bosch公司在现代汽车技术中领先推出的一种多主机局部网,由于其卓越的性能、极高的可靠性、独特灵活的设计和低廉的价格,现已广泛应用于工业现场控制、智能大厦、小区安防、交通工具、医疗仪器、环境监控等众多领域,CAN已被公认为几种最有前途的现场总线之一。
CAN总线规范已被ISO国际标准组织制订为国际标准,CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连参考模型基础上的,主要工作在数据链路层和物理层,用户可在其基础上开发适合系统实际需要的应用层通信协议,但由于CAN总线极高的可靠性,从而使应用层通信协议得以大大简化。
本文主要论述利用微控制器AT89S51、独立CAN控制器SJA1000、总线收发器PCA82C250设计智能CAN节点,由CAN节点构成物料传输线通讯网络。
微处理器AT89S51负责SJA1000初始化,通过SJA1000实现数据的接收和发送。
SJA1000工作在PeliCAN模式下,遵循CAN2.0B协议。
经过焊接电路和软件调试,最终实现了物料传输线CAN总线通讯网络的运行。
关键词:
CAN总线;通讯网络;SJA1000
TitleCANBusCommunicationNetworkDesignforMaterialTransferLine
Abstract
CAN(ControllerAreaNetwork)busalsoknownascontrollerareanetwork,Boschcompanylaunchedthemodernautomotivetechnologyleaderinmultihostofalocalnetwork,becauseofitssuperiorperformance,highreliability,uniquedesignflexibilityandlowprices,ithasbeenwidelyusedinindustrialcontrol,intelligentbuildings,residentialsecurity,transportation,medicalequipment,environmentalmonitoringandmanyotherfields.CANhasbeenrecognizedassomeofthemostpromisingfieldbus.CANprotocolisbasedonInternationalStandardsOrganization'sOpenSystemsInterconnectionreferencemodel,itworksinthedatalinklayerandphysicallayer.Theusermay,initsbasedonthedevelopmentofapracticalneedforthesystemapplicationlayercommunicationprotocol,buthighlyreliableCANbus,sotheapplicationlayercommunicationprotocolCANbegreatlysimplified.
ThispaperdiscussestheintelligentCANnodedesigning,usingmicrocontrollerAT89S51,CANcontrollerSJA1000,bustransceiverPCA82C250.ConstitutethematerialttansferlineCANbuscommunicationnetworkbyCANnodes.AT89S51microcontrollerinitializesSJA1000,throughSJA1000receiveingandtransmitingdata.SJA1000worksinPeliCANmode,followingCAN2.0Bagreement.Afterweldingcircuitandsoftwaredebugging,IaccomplishthebuildingofCANbuscommunicationnetworkformaterialtransferline.
Keywords:
CANBus;CommunicationNetwork;SJA1000
目次
1引言
1.1现场总线概述
现场总线作为一种先进的工业控制技术,将当今网络通信与管理的观念带入工业控制领域。
把单个分散的测量控制设备编程网络节点,以现场总线为纽带,将它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统,它是工厂的底层控制网络。
现场总线是应用在生产现场的,在测量控制设备之间实现双向、串行、多点通信的数字通信系统。
现场总线把通用或专用的微处理器,嵌入传统的测量控制仪表,使之具有数字计算和数字通信能力,采用一定的媒体作为通信总线,按照公开、规范的通信协议,在位于现场的多个设备之间以及现场设备与远程监控计算机之间,实现数据传输和信息交换,形成适应实际需要的自动化控制系统。
目前,随着计算机网络技术向控制领域的渗透以及多学科多技术的交叉与融合,企业管理与现场控制、信息系统与控制系统越来越趋向一体化。
为了使一个企业内部实现信息——控制一体化,或称管控一体化,组成一个协调的网络整体,可以将以太网与现场总线互联,并进一步连入Internet,从而实现企业内、外部信息控制网络的横向与纵向的全方位集成。
按照国际IEC61158标准,现场总线是一种互连现场自动化设备及其控制系统的双向数字通信协议。
也就是说现场总线是控制系统中底层的通信网络,具有双向数字传输功能,在控制系统中允许智能现场装置全数字化、多变量、双向、多节点,并通过一条物理媒体互相交换信息。
1.1.1现场总线的技术特点
1)系统的开放性
开放系统是指通信协议公开,各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换。
现场总线开发者就是要致力于建立统一的现场设备层网络的开放系统。
这里“开放”是指对相关标准的一致性、公开性,强调对标准的共识与遵从。
一个开放系统,它可以与任何遵守相同标准的其他设备或系统相连。
2)互操作性和互用性
互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传达与沟通,可实行点对点、一点对多点的数字通信。
互用性意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换、互用。
3)现场设备的智能化和功能自治性
将系统的传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成,并完成自动控制的基本功能,随时诊断设备的运行状态。
4)系统结构的高度分散性
现场总线构成一种新的分布式控制系统的体系结构,简化了系统结构,提高了可靠性。
5)对现场环境的适应性
现场总线是专为在现场环境下工作而设计的,它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等,具有较强的抗干扰能力,能采用两线制实现送电与通信,并可满足安全防爆要求等。
1.1.2现场总线控制系统
现场总线控制系统既是工业设备自动化控制的一种开放的计算机局域通信网络,又是一种全分布控制系统。
它作为智能设备的联系纽带,将挂接在总线上,作为网络节点的智能设备而连接成为网络系统,并进一步构成自动化系统。
它依靠检测、控制的功能,使具有通信能力的数字化智能设备在现场实现彻底分散控制。
这种控制方式打破了传统控制系统的结构形式,图1.1为传统控制系统与现场总线控制系统的结构对比。
在传统模拟控制系统中采用一对一的设备连线,按控制回路分别进行连接,位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间,控制器与位于现场的执行器、开关、马达之间均一对一的物理连接;而在现场总线控制系统中,现场总线可以将它们简单地串行连接在一起。
(a)传统控制系统(b)现场总线控制系统
图1.1传统控制系统与现场总线控制系统结构
以现场总线为基础的现场总线控制系统是一种网络集成式全分布控制系统,可以实现综合自动化的各种功能,现场总线技术已成为当今自动化领域技术发展的热点之一。
现场总线的引入导致了传统控制系统结构的变革,使原来在传统控制系统中行之有效的控制方法无法继续使用或控制效果变差。
因此,研究适用于现场总线控制的控制技术成为现场总线控制系统应用的关键。
1.2物料输送线CAN总线通讯网络设计目的和意义
随着物料传输线系统复杂性的增加,传统的中央式控制体系正在不断遭受挑战。
中央式控制体系固有的缺点越来越无法适应系统复杂性的增加。
当需要控制的节点不断增加,需要反馈的传感器信号不断增多,如果处理信息和产生控制信号都由一个中央处理器来完成,对仅有的一个中央处理器来说是不堪负重的。
利用现场总线的分布式测控技术可以将处理信息和产生控制信号的任务分配给各个控制节点的微处理器来完成,这样中央处理器只需要和各个控制节点上的微处理器通过现场总线的数据总线连接即可完成对整个系统的控制。
这样做可以极大的简化控制设备,减少系统控制的复杂性,降低成本,并且可以提高物料传输系统的稳定性和柔性。
因为系统各个节点之间的通信是否稳定快速直接关系到系统性能的优劣,所以选取哪种总线技术就显得尤为关键。
现今的现场总线领域有多种比较成熟的总线技术,如PROFIBUS、CAN、LONWORKS等。
本课题是采用国内外比较流行的CAN总线来实现分布式测控网络系统的设计。
之所以选择CAN总线主要基于以下几个方面考虑:
首先是由CAN的技术特点决定的。
CAN采用短帧结构,数据传输的时间短,受干扰概率低,并且CAN有良好的检错措施,可靠性高。
这就避免了数据传输过程中出现一位或多位数据错误。
CAN协议对通信数据块进行编码的方式可使不同的节点同时收到相同的数据,可以实现广播及点对点通信,增加了系统组网的灵活性。
CAN采用基于优先级的非破坏性位仲裁方式保证了系统不会由于产生总线堵塞而崩溃,保证了网络的实时性和可靠性。
另外CAN既可构成单主又可构成多主网络,任何节点都可主动向网上发送数据,通信方式十分灵活。
其次是从硬件及软件开销上考虑。
LONWORKS,PROFIBUS标准的通用性使得在采用厂家现成的设备组网来得比较方便。
但通用性好必然导致通信协议更加复杂,系统软件设计的复杂性导致软件开销的增加。
CAN总线相对来说通信协议比较简单,开发技术比较成熟,软件工作量小而容易实现,性能上也未必比其他几种现场总线差。
最后从可靠性考虑,在整个系统的运行过程中,不希望由于某个节点的故障而导致整个系统的瘫痪。
CAN网络的节点在严重故障后可自动从网络上退出,避免对其他节点产生影响,在节点恢复后能自动连上,因此任何节点的损坏都不会导致整个系统的通信崩溃。
综合所述,基于CAN总线的物料传输线网络系统设计是必要的,对物料传输线乃至工业过程控制的发展具有深远的意义。
1.3CAN总线的发展现状
现场总线技术是当今世界各国关注的热点课题,以现场总线为基础的全数字控制系统是21世纪自动化控制系统的主流。
世界各国的技术协会、各大公司、各国的标准化组织,还有国际电工委员会(IIIC)及国际标准化组织(ISO)对于本项技术的标准化工作给予了极大的关注,也使得目前现场总线国际标准化工作出现了复杂的局面。
现场总线发展迅速,现处于群雄并起、百家争鸣的阶段。
目前已开发出有40多种现场总线,如Interbus、Bitbus、Devitenet、MODbus、Arcnet、FIP、ISP等,其中比较有影响力的有5种,分别是FF、Profibus、HART、CAN和LonWorks。
目前,CAN的应用范围遍及高速网络到低成本的工业测控网络,公认为极具发展前途的现场总线之一。
1.3.1国外的发展现状
1986年2月,RobertBosch公司在SAE(汽车工程协会)大会上介绍了一种新型的串行总线——CAN控制器局域网,那是CAN诞生的时刻。
今天,在欧洲几乎每一辆新客车均装配有CAN局域网。
CAN已经成为全球范围内最重要的总线之一,甚至领导着串行总线。
在1999年,接近6千万个CAN控制器投入应用;2000年,市场销售超过1亿个CAN器件。
为促进CAN以及CAN协议的发展,1992在欧洲成立了CiA(CANinAutomation)。
在CiA的努力推广下,CAN技术在汽车电子控制系统、电梯控制系统、安全监控系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输等方面均得到了广泛的应用。
现已有400多家公司加入了CiA,CiA已成为全球应用CAN技术的权威。
从1992年起,Mercedes-Benz开始在他们的高级客车中使用CAN技术。
第一步使用电子控制器通过CAN对发动机进行管理;第二步使用控制器接收人们的操作信号。
这就使用了2个物理上独立的CAN总线系统,它们通过网关连接。
其他的客车厂商也纷纷赶来斯图加特学习,在他们的客车上也使用2套CAN总线系统。
现在,继Volvo、Saab、Volkswagen、BMW之后,Renault和Fiat也开始在他们的汽车上使用CAN总线。
1.3.2国内的发展现状
由于国内电子工业起步较晚,CAN总线网络推广应用较国外而言相对落后。
近年来,技术革新的浪潮席卷中国,国内CAN总线应用领域也发展迅速。
车辆工程方面,2007年7月,国内第一辆基于SAE-J1939标准的网络化CAN总线技术大客车电器系统顺利完成样车改造,并投入杭州公交28路实际运行。
2010年,比亚迪汽车在其产品G3上首次采用“CAN-BUS电子智能管家系统”。
工业应用领域,广州周立功单片机公司、北京科瑞兴业科技有限公司等,已向市场推出了各类基于CAN总线的数据采集模块。
周立功单片机公司已向市场推出基于自主设计的iCAN(IndustryCAN-BUSApplicationProtocol)应用层协议的8路DI/DO功能模块iCAN-4050,是工业CAN节点成熟产品的一个代表。
在电梯控制方案中,“ARM微控制器+CAN总线通讯”已经成为国内各家电梯生产商的首选方案。
许多大中专院校、科研机构也在CAN总线开发应用上投入大量精力,取得了丰硕的成果。
1.4本文研究的主要内容与组织结构
1.4.1研究的主要内容
本文的核心工作是设计出一套基于CAN总线的物料输送线通讯网络。
硬件部分由微控制器AT89S51、独立CAN控制器SJA1000、CAN收发器PCA82C250组成。
软件遵循CAN2.0B应用层协议。
1.4.2论文组织结构
根据本文的研究内容,本文共分六章,各章的内容安排如下:
第一章,引言,论述物料输送线CAN总线通讯网络设计目的和意义。
第二章,介绍CAN总线通讯协议CAN2.0A、CAN2.0B、CAN报文格式。
第三章,硬件设计,基于AT89S51、SJA1000的CAN总线智能节点的总体设计。
主要叙述了课题的设计要求,以及设计的总体方案,对各模块作了简单的介绍。
第四章,软件设计,包括AT89S51编程、CAN通讯协议等。
第五章,运行结果,主要是通讯网络的实际通讯结果。
2CAN总线技术研究
CAN(controllerareanetwork)是控制器局域网的简称,属于现场总线技术范畴。
它最早用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信,由德国Bosch公司提出,是一种有效支持分布式实时控制的串行通信网络。
它是一种多主总线,通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。
通信速率可达1Mbps。
2.1CAN总线主要特点及分层结构
CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能,可完成对通信数据的成帧处理,包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等工作。
CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码,而对通信数据块进行编码。
采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制,数据块的标识码可由1l位或29位二进制数组成,这种按数据块编码的方式,还可使不同的节点同时接收到相同的数据,这一点在分布式控制系统中非常有用。
数据段长度最多为8个字节,可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。
同时,8个字节不会占用总线时间过长,从而保证了通信的实时性。
CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能,保证了数据通信的可靠性。
CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计,特别适合工业过程监控设备的互连。
此外,CAN总线采用了多主竞争式总线结构,具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。
CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息而不分主次,因此可在各节点之间实现自由通信。
CAN总线协议已被国际标准化组织认证,技术比较成熟,控制的芯片已经商品化,性价比高,特别适用于分布式测控系统之间的数据通信。
CAN总线的通信电路由两根导线组成,分别为CAN-H和CAN-L,这两根导线也就是CAN网络中的总线。
所有的节点都挂在该总线上,并且都通过这两根导线交换数据。
总线上某一时刻显示的数值由这两根导线上的电压VCAN-H和VCAN-L的差值表示;该差分电压场可以表示“显性”和“隐性”两种互补的逻辑数值;CAN总线位数值表示如图2.1所示。
图2.1CAN总线位数值表示
CAN总线中的总线数值为两种互补逻辑数值之一:
“显性”或者“隐性”。
在CAN总线标准通信协议中规定“显性”为逻辑O,而“隐性”为逻辑1。
在“隐性”状态下,差分电压近似为O;而“显性”状态的差分电压则大于一个最小阈值。
当总线上存在“显性”和“隐性”位同时发送时,节点发送驱动电路的设计使得总线数值表现为“显性"。
在总线空闲或“隐性”位期间,总线表现“隐性”状态。
CAN通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式。
CAN层的定义与开放系统互连模型(OSI)一致。
每一层与另一设备上相同的那一层通讯。
实际的通讯发生在每一设备上相邻的两层,而设备只通过模型物理层的物理介质互连。
CAN的规范定义了模型的最下面两层:
数据链路层和物理层。
表2.1中展示了OSI开放式互连模型的各层。
表2.1ISO/OSI标准模型
7
应用层
最高层。
用户、软件、网络终端等之间用来进行信息交换。
如:
DeviceNet
6
表示层
将两个应用不同数据格式的系统信息转化为能共同理解的格式
5
会话层
依靠低层的通信功能来进行数据的有效传递
4
传输层
据传输控制。
操作如:
数据重发,数据错误修复
3
网络层
规定了网络连接的建立、维持和拆除的协议。
如:
路由和寻址
2
数据链路层
规定了在介质上传输的数据位的排列和组织。
如:
数据校验和帧结构
1
物理层
规定通讯介质的物理特性。
如:
电气特性和信号交换的解释
应用层协议可以由CAN用户定义成适合特别工业领域的任何方案。
已在工业控制和制造业领域得到广泛应用的标准是CANOpen和DeviceNet。
参照ISO/OSI标准模型,CAN总线的层次结构分为数据链路层和物理层。
其结构如表2.2所示。
表2.2CAN总线分层结构
协议层
对应OSI模型
说明
LLC
数据链路层
逻辑链路控制子层,用于为数据传送和远程数据请求提供服务
MAC
介质访问控制子层,用于控制帧结构、执行仲裁、错误界定等
物理层
物理层
规定了节点的全部电气特性
协议层对应0SI模型说明LLC逻辑链路控制子层,用于为数据传送和远程数据请求。
数据链路层求提供服务介质访问控制子层,用于控制帧结构、执行仲裁、MAC错误界定等物理层物理层规定了节点的全部电气特性物理层主要是网络上节点间的物理数据传输。
物理层定义了传输线和接口硬件的机械、电气和电信号特征及功能。
机械特性包括连接器尺寸、类型等;电气特性包括最大传输速率、最大传输距离、信号电平状态代表意义等;电信号特征包括对应电平信号的逻辑信号、信号的传输时序、数据采样方式等。
CAN网络的数据链路层主要分为逻辑链路控制子层(LLC)和媒体访问控制子层(MAC)。
LLC子层的主要功能是消息的逻辑管理,如帧滤波、超载通知和恢复管理等;MAC子层主要完成传送的功能,可进行消息成帧、总线仲裁、帧应答、错误检错与标定。
2.2CAN总线工作原理及可靠性
CAN控制器只能在空闲状态期间发送数据,总线上的所有控制器同步,这个过程是由硬同步来完成的。
若有两个或者多个CAN控制器同时发送数据,总线访问冲突通过仲裁场的位仲裁进行处理;在仲裁期间,每个进行发送的控制器都将发送的位电平与监控总线电平进行比较,任何发送一个隐性位而监视到一个显性位电平的CAN控制器立即变成总线上优先权较高的报文接收器,而不破坏总线上的任何信息。
每段报文包括一个唯一的标识符和在报文中描述数据类型的RTR位,标识符和RTR位最先发送。
标识符和RTR位对应二进制数值最低的报文有最高的优先权。
由于数据帧的RTR位为显性电平,因此数据帧比远程帧具有更高的优先权。
构成一个帧的帧起始、仲裁场、控制场、数据场和CRC序列均借助位填充规则进行编码。
当发送器在发送的位流中检测到5位连续的相同数值时,将自动地在实际发送的位流中插入一个补码位。
数据帧和远程帧的其余位场采用固定格式,不进行填充。
出错帧和超载帧同样是固定格式,也不进行位填充。
报文中的位流按照不归零码方法编码,这意味着一个完整的位电平要么是显性,要么是隐性。
报文的传输由4种不同类型的帧表示和控制:
数据帧携带数据由发送器到接收器;远程帧通过总线单元发送,以请求发送具有相同标识符的数据帧;出错帧由检测出总线错误的任何单元发送;超载帧用于提供当前和后续数据帧的附加延迟。
数据帧、远程帧、出错帧、超载帧的组成结构分别如图2.2、2.3、2.4、2.5所示。
图2.2数据帧组成结构
图2.3远程帧组成结构
图2.4出错帧组成结构
图2.5超载帧组成结构
CAN总线是一种高速的、具有复杂的错误检测和恢复能力的高可靠性网络。
CAN总线采用短消息报文,每一帧有效字节数为0-8个,传输时间短,受干扰的概率低,具有极好的检测效果,实时性好,而且每帧信息都有CRC校验和其它检错措施,保证数据出错率极低。
CAN总线上的节点具有检测多种通讯差错信息的能力。
发送错误可通过“CRC出错"检测到;普通接收错误可通过“应答出错”检测到;CAN报文格式错误可通过“格式出错"检测到;CAN总线信号错误可通过“位出错”检测到;同步和定时错误可通过“阻塞出错"检测到。
每个CAN总线上的节点都有一个出错计数器用以记录各种错误发生的次数。
CAN总线上各节点还有能力监测是短期的干扰还是永久性的故障,并采取相关的应对措施,这种特性被叫做“故障界定隔离”。
采取了这种故障界定隔离措施后,故障节点在错误严重的情况下,可自动关闭与总线的连接,而不影响其他节点的正常工作,抗干扰能力强,可靠性高。
此外,CAN用以传输数据的双向数据线通常为双绞线即CAN-H和CAN-L,信号使用差分电压传送,两条线上的电位是相反的,两条线的电压和等于常值。
这可以使CAN总线得到保护而免受外界电磁场干扰。
2.3CAN总线通讯协议
所
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